JP2011198918A - 半導体レーザ駆動装置及びその半導体レーザ駆動装置を備えた画像形成装置 - Google Patents

半導体レーザ駆動装置及びその半導体レーザ駆動装置を備えた画像形成装置 Download PDF

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Abstract

【課題】精度よく半導体レーザの発光量を制御できる半導体レーザ駆動装置、及びそれを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。さらには、半導体レーザの発光量を高い精度でかつより細かいタイミングで制御できる半導体レーザ駆動装置、及びそれを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。
【解決手段】半導体レーザ駆動装置は、半導体レーザ(LD)の発光強度を制御するための発光強度切替情報を記憶する記憶手段(16、17、18)と、記憶手段に記憶された発光強度切替情報に基づき、半導体レーザの発光強度を設定する発光強度設定手段(19a)と、発光強度設定手段により設定された発光強度に基づき半導体レーザの駆動電流を生成して、半導体レーザに出力する駆動手段(13)とを備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、半導体レーザの駆動装置及びその半導体レーザ駆動装置を備えた画像形成装置に関するものである。
半導体レーザは、小型・安価で電流を流すだけで容易にレーザ光を得ることができるため、プリンタや、光ディスク、光通信等の分野で広く用いられている(例えば特許文献1参照)。しかしながら、半導体レーザは発光量が温度依存性を有するので、一定の光量を得るためには特別な光量制御が必要である。一般にこの光量制御はAPC(Automatic Power Control)と呼ばれている(例えば特許文献2、3参照)。
APCは、半導体レーザの実際の駆動に先立って半導体レーザを駆動してその発光量を温度依存なく電流に変換できる受光素子で受光し、受光素子の出力が所定のレベルになる電流値を記憶手段に記憶しておくことで、安定した発光量を得ることができるように制御するものである。
半導体レーザを光源とするプリンタや複写機の分野では、高解像度化と高速化の要求が強くなってきている。レーザのビーム数が1本である場合、解像度やプリント速度を上げるために変調速度を上げる必要があった。しかし、入力画像データに応じて半導体レーザの駆動をオン/オフ制御する速度である変調速度には限度があった。したがって、変調速度を上げずに解像度やプリント速度を上げるには、レーザ光のビーム数を増やすしかなかった。
レーザ光のビーム数を例えば4本にした場合は、変調速度とプリント速度が1本の場合と同じであると仮定すると、主走査及び副走査方向(横縦方向)の解像度を2倍に向上させることができる。 解像度が同じである場合は、プリント速度を4倍近くに上げられる可能性がある。
光源として使用される半導体レーザとして、レーザ光が活性層と平行な方向に取り出される構造をなす端面発光型レーザ素子(以下、端面発光レーザと呼ぶ)が主に使われる。端面発光レーザの場合、ビーム数が1、2又は4本のマルチビームレーザがプリンタや複写機に使用されている。マルチビームレーザのレーザ間の光軸は安定しているため、複数のビームが必要な場合は、シングルレーザを機器上で個別に調整するよりも、マルチビームレーザを使用する方がレーザ間の光軸調整が容易になる。
通常、端面発光レーザは、レーザユニット内部に受光素子を1つだけ有している。端面発光レーザは、レーザ光として利用されるフロント側の出射パワーに比例したバック出射を発生し、このバック出射を内蔵した受光素子で受けて、受光量に略比例したモニター電流を発生する。マルチビームレーザの場合、同じフロント出射パワーであっても、発生するモニター電流の値は個体差等によりビーム間で若干異なる。
図10に電子写真プロセスを利用したレーザプリンタ、デジタル複写機等の従来の画像形成装置の構成を示す図。
光源である半導体レーザユニット1(端面レーザユニット)から発光されたレーザビーム(走査ビーム)は、高速で定速回転するポリゴンミラー2(多面鏡)で偏向走査(スキャン)され、走査レンズ3(fθレンズ)を介して被走査媒体である感光体4上に光スポットを形成する。
偏向されたレーザビームは、感光体4が回転する方向(副走査方向)と直交する方向(主走査方向)に露光走査され、画像信号のライン単位の記録を行う。
感光体4の一端近傍のレーザビームが照射される位置に、主走査同期信号を発生するビームセンサ5が配置されている。画像制御ユニット6は主走査同期信号に同期したAPCタイミング信号と画像データを生成し、レーザ駆動装置7はAPCタイミングに基づいたパワー制御を行うと共に画像データに同期した半導体レーザLDの発光を行う。
このように、画像制御ユニット6により生成された画像データとAPCタイミングに従い、レーザ駆動装置7を介して半導体レーザLDの発光タイミングを制御し、感光体4の回転速度と記録密度に対応した所定の周期で主走査を繰り返すことによって、感光体4の表面上に画像(静電潜像)を形成することができる。
マルチビームレーザを用いた電子写真プロセスの場合、レーザユニット1を構成するレンズの透過率や反射率の違いにより、各ビームの発光量は同じであっても、感光体4上でのパワーが異なる。すなわち、感光体4上でのパワーを同じにするには、各ビームの発光量を個別に設定する必要がある。
図10に示す画像形成装置において、レーザ駆動装置7、レーザユニット1、並びにポリゴンミラー2及び走査レンズ3等の光学ユニットは、レーザースキャンユニット(以下「「LSU」という)として構成される。半導体レーザLDを高速駆動できるようにレーザ駆動装置7とレーザユニット1は、図11に示すように、通常同じボード(以下「LDボード」という)上で直近に配置される。LDボードはLSUの隙間に配置できるようにできるだけ小さな形状に構成される。これに対して、画像制御ユニット6は、CPU、RAM、ROM、画像メモリ等が搭載されたメインボード上に搭載される。
レーザ駆動装置7(LDボード)と画像制御ユニット6(メインボード)との間は、通常1m以上のケーブルを介して接続される。そして、メインボードからケーブルを介して電源及びグランド(GND)電位がLDボードに供給される。電源及びグランドラインはレーザ駆動装置7の消費電流と、半導体レーザLDの駆動電流を伝送するため、ケーブルの抵抗により電位降下や電位上昇を発生する。このため、画像制御ユニット6で発生する電位とレーザ駆動装置7で受ける電位はDC的に差がある。また、画像形成時のレーザ点灯/消灯動作による電流変動によってもLDボード上の電源及びグランド電位は変動する。このように、DC的及びAC的に電位変動があるため、光量設定値に対する実際の発光量に誤差が生じるという問題がある。
また、近年、画像形成装置の低コスト化、高画質化のために半導体レーザの発光量をより細かいタイミングで制御したいという要望がある。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、精度よく半導体レーザの発光量を制御できる半導体レーザ駆動装置、及びそれを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。さらには、本発明は、半導体レーザの発光量を高い精度でかつより細かいタイミングで制御できる半導体レーザ駆動装置、及びそれを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体レーザ駆動装置は、半導体レーザを駆動する半導体レーザ駆動装置であって、半導体レーザの発光強度を制御するための発光強度切替情報を記憶する記憶手段と、記憶手段に記憶された発光強度切替情報に基づき、半導体レーザの発光強度を設定する発光強度設定手段と、発光強度設定手段により設定された発光強度に基づき半導体レーザの駆動電流を生成して、半導体レーザに出力する駆動手段とを備える。
本発明によれば、半導体レーザ駆動装置内に半導体レーザの発光強度を制御するための発光強度切替情報を記憶し、その情報に基づき半導体レーザの発光強度を制御する。このように、半導体レーザ駆動装置内部で発光強度を制御できる。このため、外部すなわち画像制御ユニットから半導体レーザの発光強度を制御される必要がなく、よって、画像制御ユニットからケーブルを介して半導体レーザLDの駆動電流を伝送する必要がないため、ケーブルの抵抗による電位降下、電位上昇の影響を受けず、安定したレーザ発光強度の制御が可能となる。
本発明の実施形態のレーザ駆動装置の概念を説明した図である。 本発明の実施の形態1のレーザ駆動装置の概略構成図である。 実施の形態1のレーザ駆動装置の駆動手段の具体的構成を示す図である。 半導体レーザにおける駆動電流に対する発光量の特性を示す図である。 実施の形態1のレーザ駆動装置のタイミングチャートである。 実施の形態1のレーザ駆動装置高速分割方式を用いた画像形成装置に適用した場合のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態2のレーザ駆動装置の概略構成図である。 実施の形態2のレーザ駆動装置のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態3のレーザ駆動装置の概略構成図である。 従来及び本発明の実施形態のレーザ駆動装置を備えた画像形成装置の構成図である。 従来のレーザ駆動装置の概略構成図である。
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態のレーザ駆動装置の概念を説明した図である。前述のように従来のレーザ駆動装置7(図11参照)では、半導体レーザLDの発光強度を設定する情報は画像制御ユニット6からアナログ電圧でレーザ駆動装置7に送信されていた。これに対して、本発明の実施形態では、発光強度を決定するためのアナログ電圧を生成する手段(DAC:デジタル−アナログコンバータ)をレーザ駆動装置7x内に備える。これにより、画像制御ユニット6とレーザ駆動装置7x間のケーブル抵抗による電位降下、電位上昇の影響を受けずに安定したレーザ発光強度の制御が可能となる。
以下、本発明に係るレーザ駆動装置の実施の形態をより具体的に説明する。なお、以下の各実施形態で説明する画像形成装置は、各実施形態で説明するレーザ駆動装置を図10に示した従来の画像形成装置の構成に組み込んで構成される。
実施の形態1
1.レーザ駆動装置の構成
図2を参照し、実施の形態1のレーザ駆動装置の構成を説明する。レーザ駆動装置7aは半導体レーザの発光量を検出する光量検出手段11と、光量検出手段11により検出された発光量と画像データに基づき半導体レーザLDの駆動電流を生成し、制御する駆動手段13とを備える。
さらに、レーザ駆動装置7aは、内部クロックを生成するPLL回路15と、発光強度の切替タイミングを設定するための情報を格納する発光強度切替タイミングレジスタ16と、発光強度レベルを設定するための情報を格納する発光強度レジスタ17と、APCを実行する際の同期信号であるAPC信号を生成するための情報を格納するAPCタイミングレジスタ17とを備える。
さらに、レーザ駆動装置7aは、発光強度レベルを設定する発光強度設定手段19aと、APC信号を生成するためのAPC信号生成手段20と、発光強度を示すアナログ電圧を生成するデジタルアナログコンバータ(以下「DAC」と称す。)21と備える。
光量検出手段11は受光素子と抵抗を備える(図3参照)。受光素子は半導体レーザLDの発光量に応じたモニタ電流を発生し、発生したモニタ電流が抵抗で電圧に変換されて駆動手段に出力される。
駆動手段13について図3を用いて説明する。駆動手段13は、半導体レーザLDの駆動電流を生成し、制御し、電圧電流変換手段31と、DAC32、33と、コンパレータ34と、IthIη検出制御手段35とを有する。IthIη検出制御手段35は、半導体レーザのしきい値電流Ithと発光電流Iηを検出し、DAC32に発光電流Iηに対応するコードを出力し、DAC33にしきい値電流Ithに対応するコードを出力する。
しきい値電流Ithと発光電流Iηについて説明する。図4は、半導体レーザLDの駆動電流に対する発光量の特性を示した図である。同図のように、半導体レーザLDは、ある電流値を境として急激に発光し始める。半導体レーザLDが急激に発光し始めるときの電流がしきい値電流Ithである。また、所望のレーザ出力に必要となるしきい値電流Ith以上の領域の電流を発光電流Iηとする。半導体レーザLDにおける発光電流Iηと発光量は比例関係にある。通常、半導体レーザ駆動装置では、画像を形成しない期間も定常的にバイアス電流Ibiを供給する。バイアス電流Ibiは、しきい値電流Ithよりも若干小さい値に設定される。
IthIη検出制御手段35は、コンパレータ34を介して実際のレーザ出力状態を検知しながらしきい値電流Ithと発光電流Iηを個別に検出し、これらの電流値を発光強度(DAC21により生成、詳細は後述)に基づき適宜調整する。具体的には、消灯点灯にかかわらず常時Ibi(=Ith)を流し、点灯時にIsw(=Iη)を加算する構成となっている。画像形成時は、DAC32により生成されたしきい値電流Ithと、DAC33により生成された発光電流Iηとが加算されて出力されるようになっている。
また、発光電流Iηを生成するDAC33には、電圧電流変換手段31を介してDAC21からの発光強度に対応した電流が供給され、これによりDAC33のアナログ変換値の電流値がDAC21からの発光強度に応じて設定される。
次に、各レジスタ16〜18について説明する。
発光強度切替タイミングレジスタ16は、発光強度の切替タイミングを設定するための情報を格納する。この情報は、例えばレーザ駆動装置7aに対する電源投入時に画像制御ユニット6から取得され、発光強度切替タイミングレジスタ16に格納される。この情報は、ある発光強度が維持される期間を示す情報であり、例えば、内部クロックのカウント数で表される。
発光強度レジスタ17は発光強度レベルを設定するための情報を格納し、複数の発光強度レベルに対する設定情報を格納する。
APCタイミングレジスタ18は、APC信号を生成するための情報を格納する。この情報は、APC信号の周期を示す情報であり、例えば、内部クロックのカウント数で表される。
以上のように構成されるレーザ駆動装置において、駆動手段13は半導体レーザLDに駆動電流を供給し、半導体レーザLDを発光させる。その際、光量検出手段11により半導体レーザLDの光量が検出され、検出結果が駆動手段13に入力される。駆動手段13は検出結果に基づき半導体レーザLDの発光量が所望の値になるように駆動電流を制御する。
2.発光強度の設定動作
図5を参照し、本実施形態のレーザ駆動装置7aの半導体レーザLDの発光強度の設定動作について説明する。図5は、本実施形態のレーザ駆動装置7aにおける半導体レーザの発光強度の設定動作におけるタイミングチャートである。なお、図5において、同期検知信号は、半導体レーザLDの感光体4上の主走査方向の照射位置を認識するためのビームセンサ7から出力される主走査同期信号である。
発光強度レジスタ17には発光強度レベルを設定するための情報として、図5の例では、4とおりの発光強度p1、p2、p3、p4をそれぞれ示す値が格納されている。
発光強度切替タイミングレジスタ16には、各発光強度の切替タイミングを設定するための情報として、図5の例では、発光強度p1、p2、p3、p4に対応する時間t3、t4、t5、t6、t7に対応する内部クロックのカウント数がそれぞれ格納されている。
APCタイミングレジスタ18には、APC信号を生成するための情報として、図5の例では、時間t1、t2に対応する内部クロックのカウント数が格納されている。
発光強度の切替タイミングを設定するための情報、発光強度レベルを設定するための情報、APC信号を生成するための情報は、レーザ駆動装置7aの電源投入時に画像制御ユニット6から各レジスタ16、17、18に送信される。その後は、各レジスタ16、17、18からこれらの情報が読み出されて半導体レーザの発光量の制御に使用される。
PLL回路15は、所定の周期を持つ基準クロックを入力し、それを逓倍して高い周波数の内部ロックを生成する。
APC信号生成手段20は、APCタイミングレジスタ18からAPC信号を生成するための情報を読み出し、その情報と、基準クロック及び内部クロックに基づきAPC信号を生成する。例えば、図5の例では、APCタイミングレジスタ18に、時間t1に対応する内部クロックのカウント数mと、時間t2に対応する内部クロックのカウント数nが格納されている場合、APC信号生成手段20は、基準クロックが立ち下がった時点からカウントを開始し、内部クロックをm個カウントするまでは(すなわち時間t1の間)Highとなり、その後内部クロックがn個カウントされる間(すなわち時間t2の間)LowになるようなAPC信号を生成する。
発光強度設定手段19aは、発光強度切替タイミングレジスタ16から得られる発光強度の切替タイミングの情報と、基準クロックと、内部クロックと、に基づき発光強度の切替タイミングを決定する。同時に、発光強度設定手段19aは、発光強度レジスタ17から発光強度レベルに関する情報を読み出す。発光強度設定手段19aは、決定した切替タイミングに応じた発光強度レベルを示す情報(デジタル信号)を切替タイミングに基づき切替ながらDAC21に出力する。例えば、図5において、基準クロックの立ち下がりから時間t3経過後に発光強度をP1に設定し、その後時間t4経過後にP2に切り替えるというように発光強度が切り替えられる。時間t3、t4等は、発光強度切替タイミングレジスタ16から得られるクロック数に基づいて決定される。
DAC21は、発光強度設定手段19aから出力された発光強度レベル(コード値)に基づき発光強度に対応したアナログ電圧信号を生成し、駆動手段13に出力する。
以上のように、本実施形態のレーザ駆動装置7aによれば、画像制御ユニット6から独立してレーザ駆動装置7a内部で半導体レーザLDの駆動電流を設定できる。すなわち、従来のように画像制御ユニット6を搭載したメインボード側からケーブルを介してLDボード上のレーザ駆動装置7aに半導体レーザLDの駆動電流を伝送する必要がないため、ケーブルの抵抗による電位降下や電位上昇の影響を受けず、精度のよい発光量制御が可能となる。
3.高速分割方式への適用例
高速分割方式とは、1主走査ライン中に2画像分の画像データの出力を可能とするものであり、1つの光源からのレーザ光をハーフミラーを介して2つの光に分離し、1組の半導体レーザ素子とレーザ駆動装置で、2色分(2つ)の感光体への感光処理を可能とする方式である。なお、ポリゴンミラー以後の要素は色毎に2組設ける。この方式の場合、従来の1主走査の画像領域の期間の前半を例えばY(イエロー)、後半をM(マゼンタ)の感光体に照射する。一般に色毎に発光強度が異なるので、YとMとの間でも発光強度を異ならせる必要があり、そのため主走査1ラインの途中で発光強度を変更する必要がある。特に、高速分割方式の場合、主走査1ライン中、APC、同期検知、画像1(Y)、画像2(M)の計4種類の発光強度を設定する必要がある。
このような場合であっても、本実施形態のレーザ駆動装置は、発光強度切替タイミングレジスタ16、発光強度レジスタ17に、所望の発光強度に関して、切替タイミング及び強度レベルの情報を格納しておくことで発光強度を容易に設定することができる。
図6に、本実施の形態のレーザ駆動装置7aを、高速分割方式を用いた画像形成装置に適用した場合のタイミングチャートを示す。同図に示すように、主走査1ライン中、Y画像用の発光強度と、M画像用の発光強度とがそれぞれ設定されている。
通常同期検知点灯の前にAPC動作が実行される。APCで所望の発光量に正確に調整した後同期検知信号が得られる。同期検知時の半導体レーザLDの光量が変動すると、信号の鈍りにより同期タイミングに誤差を生じる。このため、半導体レーザLDの光量を同期検知の直前に調整する。なお、同期検知用の光量を最も大きくする。
APC実行時の光量は2色の画像データ出力時の発光量の平均値としている。これは、発光強度信号と発光量が比例する回路構成にしていても、若干の誤差が生じるため、APC実行時の発光強度に対し、APC実行時の発光量と画像領域での発光量との差をできるだけ小さくしておくことが望ましいためである。
実施の形態2
実施の形態1のレーザ駆動装置7aは、基準クロックに基づき内部クロック及びAPC信号を生成し、それらに基づき発光強度及び発光強度切替タイミングを制御していた。これに対して、実施の形態2のレーザ駆動装置は、画像制御ユニット6からAPC信号を入力し、このAPC信号に基づき発光強度及び発光強度切替タイミングを制御する。
図7は、実施の形態2のレーザ駆動装置の構成を説明した図である。図8は、実施の形態2のレーザ駆動装置7bにおける半導体レーザの発光強度の設定動作におけるタイミングチャートである。以下、実施の形態2のレーザ駆動装置において実施の形態1のレーザ駆動装置7aと構成上、動作上異なる点についてのみ説明する。
本実施形態のレーザ駆動装置7bは、APCタイミングレジスタ18及びAPC信号生成手段20を備えていない。これは、APC信号は画像制御ユニット6から入力するために内部で生成する必要がないからである。
発光強度設定手段19bは、発光強度切替タイミングレジスタ16から得られる発光強度の切替タイミングの情報と、内部クロックと、APC信号とに基づき発光強度の切替タイミングを決定する。同時に、発光強度設定手段19bは、発光強度レジスタ17から発光強度レベルに関する情報を読み出す。発光強度設定手段19bは、決定した切替タイミングに応じた発光強度レベルを示す情報(デジタル信号)を、切替タイミングに基づき切替ながらDAC21に出力する。
例えば、図8において、APC信号の立ち下がりから時間t1経過後に発光強度をP2に設定し、その後時間t2経過後にP3に切り替えるというように発光強度が切り替えられる。ここで、時間t1、t2等は、発光強度切替タイミングレジスタ16から得られるクロック数に基づいて決定される。
本実施形態の構成によっても、実施の形態1と同様の効果が得られ、さらに、実施の形態1よりもより簡単な構成でレーザ駆動装置7bを実現できる。
実施の形態3
図9は、レーザ駆動装置のさらに別の構成を示した図である。図9に示す構成は、図2に示す実施の形態1のレーザ駆動装置7aにおける発光強度切替タイミングレジスタ16、発光強度レジスタ17及びAPCタイミングレジスタ18、または、図7に示す実施の形態2のレーザ駆動装置7bにおける発光強度切替タイミングレジスタ16及び発光強度レジスタ17を不揮発性メモリで構成した例を示す概念図である。
実施の形態1、2では、レーザ駆動装置7a、7bの電源投入時に、画像制御ユニット6から発光強度や発光強度切替タイミング等の設定情報を受けて各レジスタ16〜18に設定していた。これに対して、本実施形態では、それらの設定情報を不揮発性メモリに格納することから、電源ONの度に画像制御ユニット6から読み出して設定する必要がなくなり、レーザ駆動装置7a、7b及び画像制御ユニット6において電源ON時の処理が簡略化される。
上記の実施の形態で説明したレーザ駆動装置7a〜7cは1つの半導体素子(IC)で実現してもよいし、複数の半導体素子で実現してもよい。少なくとも発光強度設定手段19a〜19cと駆動手段13とは1つの半導体素子に集積化されることが好ましい。
1 レーザユニット
2 ポリゴンミラー
3 走査レンズ
4 感光体
5 ビームセンサ
6 画像制御ユニット
7、7a、7b、7c レーザ駆動装置
13 駆動手段
15 PLL回路
16 発光強度切替タイミングレジスタ
17 発光強度レジスタ
18 APCタイミングレジスタ
19a、19b、19c 発光強度設定手段
21 DAC(デジタル−アナログコンバータ)
51 不揮発メモリ
LD 半導体レーザ
PD 受光素子
特開2000−71510号公報 特開2005−11943号公報 特開2005−262509号公報

Claims (7)

  1. 半導体レーザを駆動する半導体レーザ駆動装置であって、
    半導体レーザの発光強度を制御するための発光強度切替情報を記憶する記憶手段と、
    前記記憶手段に記憶された発光強度切替情報に基づき、半導体レーザの発光強度を設定する発光強度設定手段と、
    前記発光強度設定手段により設定された発光強度に基づき半導体レーザの駆動電流を生成して、半導体レーザに出力する駆動手段と
    を備えた半導体レーザ駆動装置。
  2. 前記記憶手段は、前記発光強度切替情報として、所定の周期を持つ信号を逓倍して、その信号より高い周波数を持つクロック信号を生成するための情報を記憶する、ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ駆動装置。
  3. 前記記憶手段は、前記発光強度切替情報として、複数の発光強度レベルを示す情報を記憶する、ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ駆動装置。
  4. 前記記憶手段は、前記発光強度切替情報として、各発光強度レベルを切り替えるタイミングを示す情報を記憶する、ことを特徴とする請求項3記載の半導体レーザ駆動装置。
  5. 前記記憶手段は不揮発性メモリであることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の半導体レーザ駆動装置。
  6. 前記発光強度設定手段と前記駆動手段とが1つの半導体素子に集積化される、ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の半導体レーザ駆動装置。
  7. 請求項1ないし4のいずれか1つに記載の半導体レーザ駆動装置を備えた画像形成装置
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